遠控自動化技術在新港碼頭門機作業中的應用研究

徐志浩 張仕旭

（廣州港股份有限公司新港港務分公司，廣州 510730）

門座式起重機（以下簡稱門機）作為廣州港新港碼頭前沿主要的大型裝卸設備，其作業方式僅靠司機室內的操作人員進行操控，勞動強度高、作業環境差、作業效率不能保證，而且存在安全風險。由于碼頭貨物吞吐量的不斷增加，用工成本的不斷增加，加之現有司機老齡化，傳統的操作模式已經不能滿足現實需求，有必要研究和應用高精度定位、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）自動控制、圖像識別、空間建模、信息通信等先進技術，實現門機散貨作業的遠控自動化操作，提高門機的自動化、智能化、信息化水平，降低司機操作難度及勞動強度，改善工作環境，提升作業安全性，降低人工成本，助推公司智慧港口建設。

1 遠控自動化技術概述

遠控自動化技術是一種利用先進的信息技術，通過傳感器和控制系統，實現對遠程設備或系統的監控、控制和自動化操作。遠控自動化技術的實現，主要依賴傳感器技術、通信技術、控制系統和智能算法。

首先，傳感器技術是遠控自動化技術的基礎，通過各種傳感器（如攝像頭、激光雷達、溫度傳感器等）收集現場信息，實時反饋給系統。這些傳感器能夠捕捉門機操作中的關鍵數據，如位置、速度、載重量等，為后續決策提供必要的數據。

其次，通信技術是實現遠程監控和控制的關鍵組成部分[1]。光無線通信技術（5G、物聯網通信等）的應用，使得操作中心可以實時與門機建立連接，實現遠程操控，保證操作的及時性和可靠性。

再次，控制系統是遠控自動化技術的核心，它依靠傳感器數據和通信技術的支持，精確控制門機。控制系統可以根據預設的算法調整門機的運動、位置和動作，以滿足不同的操作需求。這些系統通常具備高度的自主性和智能性，能夠適應各種復雜的操作場景。

最后，智能算法可以分析傳感器的數據，預測門機的運動和貨物處理需求，并做出相應的決策。例如，通過機器學習和人工智能技術，智能算法可以優化門機的路徑規劃，提高操作效率，減少能源消耗，從而降低運營成本。

2 新港碼頭門機操作現狀

門機在廣州港新港碼頭等散雜貨碼頭扮演著不可或缺的角色，是港口物流體系的重要組成部分，在港口運營中起著關鍵作用，其操作效率和準確性對港口運營的順暢性和經濟性有著重要影響[2]，但也面臨著一系列挑戰。一方面，門機操作需要具備高度安全性，誤操作可能導致貨物出現嚴重損失。另一方面，門機操作主要依賴于人工操作，操作人員的操作水平和經驗存在差異，可能導致操作結果的質量不同。此外，門機操作通常需要司機在高空駕駛室內長時間工作，加上設備運行時的噪聲、振動以及作業環境差，導致操作人員勞動強度高、容易疲勞，進而影響操作的效率和安全性。因此，有必要探索更先進的操作方式，如遠控自動化操控方式，以克服現有操作方式的局限性，提高門機操作的質量和效率。

3 遠控自動化技術在新港碼頭門機操作中的應用及實施

3.1 自動定位和導航技術

自動定位和導航技術是遠控自動化技術的另一個關鍵組成部分，對門機的操作至關重要。使用先進的定位設備，如全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、激光雷達、編碼器等，門機可以精確確定自身的位置和方向。導航系統根據預設的路徑規劃實現自動化運動控制，提高操作的準確性和效率[3]。自動定位和導航技術使門機能夠更加精確地定位作業位置和貨物，有助于提高裝卸的效率和準確性。

門機各機構的定位方式要求準確可靠，不易受到干擾，避免出現定位錯誤和位置信息丟失的情況，同時要配有相應的校驗設施。根據這些要求，可以通過在各機構安裝絕對值編碼器、限位開關、動態傾角傳感器等，實現各機構位置的定位檢測及校驗。

導航系統的核心是作業路徑的規劃算法，而作業路徑規劃算法主要基于門機設備的狀態信息，采用激光掃描建模、視覺識別等手段，獲取取料及放料位置、空間障礙點位置、船舶信息等數據，在安全的前提下綜合計算、規劃出當前作業運行的最優路徑。

3.2 激光掃描識別建模技術

要想實現門機自動化作業流程，就需要對貨船及物料進行識別建模，獲取抓斗安全出艙高度（艙口高度）、艙口坐標、物料高度等信息。可以通過安裝激光掃描儀掃描場景，然后處理獲取的點云數據，通過算法提取所需信息并進行建模，具體實施方法如下。

激光掃描儀為360°-2D 掃描模式，添加一個軸的運動，合成3D 結果，完成場景3D 建模。因此，掃描儀模塊的硬件架構為激光掃描儀+伺服電機云臺。通過伺服控制器精確控制云臺的旋轉角度，利用歐式變換矩陣計算方法，將掃描儀獲得的每一幀掃描數據轉換到全局坐標系下。

3.2.1 坐標變換原理

根據剛體變換原理，對于任意一個點V，假定其在2 個坐標系下的坐標分別表示為Va、Vb，兩坐標系的旋轉矩陣為Rab，平移向量為tab，則坐標變換公式為

如果采用齊次坐標形式，則設兩坐標系之間的變換矩陣Tab為

根據式（1）、式（2），可以得到最終的坐標變換公式為

3.2.2 掃描儀坐標變換鏈分析

將從激光掃描儀獲取到的數據，轉換為全局坐標系下的點云，可根據D-H 變換原理進行坐標系變換，得到轉軸到掃描儀的變換矩陣Tal，基座到轉軸的變換矩陣Tba，云臺基座坐標系和門機回轉中心坐標系之間的變換矩陣Thb，以及基座到轉軸的變換矩陣Twh。

掃描儀在每一幀數據中獲取的位置信息Pl，經過坐標變換處理后，可以在門機坐標系中重新表示為對應的位置Pw，變換公式為

根據剛體坐標變換原理，對于任何一個特征，變換矩陣R均成立。變換矩陣R為

式中：T為旋轉矩陣；Pr為“相對坐標系”中的點。

在得到旋轉矩陣T的基礎上，只需在兩坐標系下找到1 個相對應的點，即可得到平移向量pw"，應用式為

式中：Pi為掃描儀坐標系中的原始點，是掃描儀捕捉到的數據點在其本身坐標系中的位置；t為從掃描儀坐標系到門機坐標系的平移向量，用于描述兩坐標系之間的空間位置差異。

根據以上原理，利用激光掃描儀標定板進行掃描，通過平面提取的方式，獲得不同平面在激光掃描儀下的法向量，根據其一一對應關系，即可求解變換矩陣。同時，結合相關標定及算法計算對點云進行分析，提取出艙口結果，該結果是后續PLC 控制機構執行的基礎。

3.3 抓斗防搖定位技術

在通常情況下，門機抓斗移動時，由于慣性、風力等因素會出現搖擺，如果不加以控制，抓斗就無法準確停止在某一設定位置。為了實現門機全自動作業，必須解決抓斗搖擺問題。

解決抓斗搖擺，可以從硬件和軟件兩方面著手。一方面，在門機的各個執行機構上安裝位置檢測裝置，實時獲得運行中各機構的位置、速度等信息。另一方面，軟件根據硬件輸入的有效信息，結合環境等因素，計算和預測系統狀態。結合目標點的位置信息，生成相應的指令，控制各執行機構聯動運行，實現抓斗防搖和定位。

抓斗防搖理論基礎是地球上單擺搖擺周期公式。單擺搖擺周期公式為

式中：T為單擺往復擺動1 個來回所需的時間；L為單擺的長度；g為重力加速度。

抓斗防搖控制流程，如圖1 所示。由圖1 可知，角度計算的外部變量只有等效繩長，因此測得精準的繩長是必要的前提條件。通過加速度和力矩來估算角度，而后通過改變加速度去修復角度。旋轉防搖主要對整個旋轉系統進行數學建模，先通過計算得到實時的旋轉方向上的搖擺角度和變幅方向上的搖擺角度，再通過改變旋轉速度和變幅速度，使擺角衰減。此外，在起升、變幅和回轉機構上安裝編碼器，識別或設定卸料點的位置，配合以上防搖算法，使抓斗能穩定停在目標位置上，實現自動定位功能。

圖1 控制流程

3.4 遠程控制和監控技術

通過高度靈活的通信技術，操作人員可以在遠控中心，遠程控制門機并實時監視門機的狀態、位置和性能，這為實時干預和決策提供了有力支持。從技術角度來看，遠程控制和監控涉及復雜的數據傳輸和處理過程。通信系統必須能夠實時傳輸大量數據，包括門機的位置、速度、負載情況等。在遠控中心，需要建立高效的數據處理和分析系統，用于處理來自門機的大規模數據流。為了實現遠程控制，需要設計安全可靠的通信協議和機制，以確保操作指令的準確傳達和門機的安全操作，具體設計方案如下。

3.4.1 總體網絡規劃方案

網絡規劃方案對確保通信的高效、安全來說至關重要。總體網絡規劃方案采用了分層的架構，以一個強大的核心網絡設備為中心，通過高帶寬連接，確保數據傳輸的速度與效率，如圖2 所示。

圖2 網絡總體結構示意圖

周邊的分布式接入點靈活擴展了網絡的覆蓋范圍，允許端用戶設備和邊緣計算資源無縫接入。同時，考慮系統的健壯性和可靠性，方案中嵌入多級冗余機制，包括雙路由器設計和備用服務器，以保證網絡在任何單點故障情況下均能持續運行。這樣層次化的網絡布局不僅增強了數據處理能力，也強化了安全防護，為實現智能化的業務操作奠定了堅實的基礎。通過此方案，能夠確保數據流的穩定性和網絡服務的可靠性，為用戶提供無縫連接的體驗。

3.4.2 控制系統（網絡）總體設計

遠程操作臺內設置獨立的遠控PLC 系統，可以與門機通信，實現遠程控制。操作臺遠控PLC 與機上自動化PLC 通信，采用西門子特有S7 通信協議。機上自動化系統PLC 與定位系統、激光掃描建模系統、安全防護、視頻/語音系統和主機電控PLC 等系統，采用工業總線或以太網通信連接。整體控制網絡架構如圖3 所示。

圖3 整體控制網絡架構圖

3.4.3 遠控系統與門機通信

為了滿足主機跟中控室視頻信號和控制信號的通信需求，配置1 根動力/光纖二合一的上機電纜，配置6 芯或以上光纖。上機光纜在地面接線箱進行光纖熔接，實現門機與中控室遠控系統的通信。

3.4.4 機上通信

機上網絡分為控制系統網絡及非控制系統網絡兩部分。控制網絡以原有PLC 系統為主站，連接新增的遠控PLC 及各傳感器。非控制網絡為視頻/音頻系統的網絡。門機上的各個攝像機、音頻終端以超六類以太網線接入就近網絡轉接箱，網絡轉接箱通過超六類以太網線或光纖連接到電氣房總交換機。總交換機是機上網絡的區域中心，該交換機連接機上所有網絡設備，通過電纜卷盤光纖與中控室系統核心交換機通信。

4 設計與實施論證

4.1 測試目標

測試的主要目標是評估遠控自動化技術在新港碼頭門機操作中的應用效果和優勢。通過引入自動定位與導航、抓斗防搖、遠程監控及控制等技術，檢驗是否可以顯著提升門機操作的準確性和安全性，減輕勞動強度[4]。

4.2 測試方法和數據收集

為了評估遠控自動化技術在新港碼頭門機操作中的實際效果，進行了全面測試，在測試中采集了大量詳細的數據。先后統計門機的各機構定位、抓斗防搖、自動化作業等數據，并采集、記錄現場相關標記和傳感器數據。

4.2.1 自動定位檢測

定位誤差標準如下：第一，起升機構的定位誤差不應超過±50 mm；第二，變幅機構的定位誤差不應超過±100 mm；第三，回轉機構的定位誤差不應超過±2°（35 000 mrad）。現場測試數據如表1 ～表3 所示。

表1 起升機構測試數據表 單位：mm

表2 變幅機構測試數據表 單位：mm

表3 回轉機構測試數據表 單位：mrad

4.2.2 激光掃描建模及作業路徑規劃

通過構建一個詳盡的三維模型，精確再現實際作業環境，通過高級算法規劃作業路徑，確保機械臂的運動軌跡既高效又安全，避免與環境中的障礙物發生沖突。利用人工智能技術，使模型能夠自動識別最佳作業策略，并在復雜的作業場景中做出及時調整。該系統不僅提高了作業效率，降低了人力成本，還通過減少操作錯誤提升了作業安全性，展現了現代自動化技術在工業領域應用的巨大潛力。測試情況如圖4 所示。

圖4 路徑規劃

4.2.3 抓斗防搖功能測試

抓斗防搖功能需要達到放料時，料斗的左右擺動幅度不造成灑料。抓斗防搖功能測試情況如表4 所示。

表4 抓斗防搖功能測試數據

4.2.4 遠程監控和控制功能測試

監控視頻系統應達到監控視頻延時不超過280 ms，通信系統丟包率不大于1‰。監控視頻系統測試數據如表5 所示。

表5 監控視頻系統測試數據

遠程控制及自動化功能應達到控制延時不超過30 ms，通信系統丟包率不大于1‰，自動化平均作業效率不低于350 t·h-1。遠程控制及自動化測試數據如表6所示。自動化作業測試的作業船舶數為24 條，自動化作業時間為11 539.95 min，具體測試數據如表7 所示。

表6 遠程控制及自動化測試測試數據

表7 自動化作業測試數據

4.3 測試結果分析

自動定位和抓斗防搖技術的應用，使新港碼頭門機能夠在復雜的作業環境中更加精確地移動，降低了與其他設備或障礙物碰撞的風險和灑料風險，提高了操作的準確性。貨船及物料識別建模和作業路徑規劃導航技術的引入，使門機可以智能識別舶艙口位置、船舷高度、物料、裝卸位置等，自動選擇安全、準確、高效的作業路徑運行，對操作效率的提高和誤操作的減少都產生了積極影響。

遠程控制和監控技術在實現新港門機散貨作業遠控自動化作業中發揮了關鍵作用。操作人員可以遠程監視門機的狀態和性能，隨時進行遠程調整，從而降低誤操作的風險。在自動模式下，實現門機散貨作業的自動化，全過程無操作人員的參與和干涉，設備也能安全、高效運轉。而且設備處于受控狀態，物料在轉移過程中，抓斗平穩無搖擺，能夠避免與船艙、船艙蓋板、船舷碰撞。在門機自動化散貨作業過程中，司機可隨時手動介入控制，全自動程序在司機手動介入時自動解除。

4.4 創新點的有效性論證

測試結果表明，遠控自動化技術的應用使新港碼頭門機散貨作業操作有較大的改善和提升，不僅提高了操作的效率和準確性，還降低了運營成本和安全風險。同時，自動定位和導航、貨船及物料自動識別和處理等功能在測試中得到了驗證，為散貨碼頭作業及運營帶來了較大的改進[5]。因此，可以推斷遠控自動化技術在新港碼頭門機操作中具有有效性，為散雜貨港口自動化提供了有力的支持和參考。

5 結語

遠控自動化技術在新港碼頭門機散貨作業的應用不僅提高了操作效率，還降低了操作風險，對港口運營具有重要意義。新港碼頭門機操作的改進提升，為港口行業的可持續發展做出了積極貢獻。未來，該技術將在港口和物流領域廣泛應用，進一步提高運營效率，降低成本，為港口物流行業的發展帶來更多機遇。